Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования в области физики газового разряда, а также квантовотеоретическое рассмотрение столкновений между частицами привели в конце 20-х годов нашего столетия к возникновению новой ветви физической науки: физики электронных и атомных (молекулярных) столкновений. При этом теоретические и экспериментальные исследования развивались параллельно, взаимно дополняя и обогащая друг друга.
В изучении электрон-атомных и электрон-молекулярных столкновений могут быть выделены два основных аспекта: I) постоянный интерес человечества к структуре и свойствам материи в ее различных формах - общенаучный аспект; 2) необходимость информации о количественных характеристиках процессов столкновений для решения задач физики плазмы - прикладной аспект. В практике изучения процессов столкновений эти два аспекта фактически всегда сосуществуют. Актуальность исследования процессов столкновений имеет постоянную составляющую, связанную с общенаучным (фундаментальным) аспектом, и переменную, зависшую от темпов научно-технического развития в различных областях прикладных наук и от постановки конкретных решаемых ими задач.
В настоящее время приложения физики плазмы в таких важных областях, как астрофизика, физика верхней атмосферы, электрометаллургия и электротехнология, разработка специальных источников света, лазерная техника, энергетика, плазмохимия и др. настоятельно требуют прогресса в области математического моделирования плазменных объектов, поскольку при изучении естественной и лабораторной плазмы этот метод относится к числу наиболее перспективных. С появлением сверхбыстродействующих ЭВМ нового поколения такие факторы, как быстрота действия и объем памяти, уже не сдерживают развитие математического моделирования; сейчас основным сдерживающим фактором становится дефицит справочных данных об атомных константах, характеризующих процессы столкновений.
Существуют обширные справочники, необходимые для отождествления атомных и молекулярных спектров, то есть решения
задач физики плазмы, имеющих качественный характер. Однако при решении задач количественного характера на Сазе информации, получаемой методами оптической спектроскопии, аналогичная справочная литература почти отсутствует: существует лишь один справочник по сечениям возбуждения, сопоставимый по детальности информации со спектроскопическими справочниками. Результаты других работ по исследованию неупругих столкновений не имеют систематического характера, так как получаются в весьма малых объемах на различных установках по различным методикам измерений, в результате чего не могут быть устранены индивидуальные ошибки. Именно проведение систематических исследований для максимально широкого круга объектов на одной экспериментальной установке по унифицированной методике измерений является актуальнейшей задачей исследований в области электрон-атомных и электрон-молекулярных столкновений. Результаты таких исследований могут стать основой для изучения закономерностей в поведении сечений возбуждения, а также фундаментальных причин появления этих закономерностей. Цели работы заключаются в создании универсального метода измерений сечений неупругих столкновений медленных электронов с атомами и молекулами и проведении систематических исследований с использованием этого метода. Создание такого метода явлется необходимым этапом работы, поскольку наиболее эффективный из существующих - метод пересекающихся пучков - имеет сравнительно низкую информативность. Кроме того, в существующих реализациях установки, предназначенные для использования этого метода, не универсальны и пригодны для проведения исследований с одним или несколькими элементами.
Задачи, решаемые в настоящей работе: I) исследование оптических спектров различных атомов и молекул в газовой фазе при их столкновениях с монокинетичными электронами низких энергий (до ~ 200 эВ); 2) измерение энергетических зависимостей сечений столкновений; 3) изучение возбуждения запрещенных переходов;
4) изучение радиационного распада автоионизационных состояний,
возбуждаемых при столкновениях электронов с атомами и молекулами;
5) поиск эмпирических закономерностей в поведении сечений
неупругих столкновений; 6) поиск особенностей в поведении сечений
неупругих столкновений. Значительное внимание при выполнении работы было уделено унификации методики исследования и условий проведения эксперимента. Научная новизна работы. Результаты, представленные в диссертации,
развивают новое направление оптики и спектроскопии, базирующееся на предложенном автором методе протяженных пересекающихся пучков, создающем возможности для придания систематического характера исследованиям неупругих электрон-атомных и электрон-молекулярных столкновений. В соответствии с этапами развития этого направления:
1) Впервые предложен, обоснован и реализован на созданных автором
действующих экспериментальных установках метод протяженных
пересекающихся пучков.
2) С использованием этого метода впервые измерены сечения
возбуждения атомов тридцати трех элементов, включая наиболее
трудно испаримые.
3) Значительно (в 5-20 раз) расширен объем ранее имевшейся ин
формации о сечениях возбуждения атомов и ионов двадцати четы
рех элементов и уточнены результаты ряда предшествующих работ.
-
Почти для всех исследованных элементов впервые изучены процессы возбуждения с одновременной однократной ионизацией.
-
Впервые исследовано возбуждение излучательных переходов, происходящих с нарушением правила отбора по четности.
6) Впервые изучено возбуждение высоколежащих состояний атомов со
значениями главного квантового числа вплоть до n = 26.
-
Впервые исследован радиационный распад автоионизационных состояний атомов меди, серебра, алюминия, галлия при их возбуждении пучком монокинетичных электронов.
-
Впервые изучено диссоциативное возбуждение атомов в столкновениях электронов с молекулами мышьяка, сурьмы, селена, теллура.
-
Впервые исследованы неупругие столкновения медленных
' электронов с продуктами испарения ряда трудноиспаримых окислов. 10) Впервые изучены неупругие столкновения медленных электронов с молекулами галогенидов щелочных металлов.
Научная и практическая ценность полученных результатов. Созданный автором метод протяженных пересекающихся пучков доказал свою эффективность при исследовании неупругих электрон-атомных' и электрон-молекулярных столкновений. Он может быть использован при систематических измерениях сечений неупругих столкновений для всех стабильных элементов таблицы Д.И.Менделеева, а также для различных типов простых молекул. Полученные в работе результаты имеют фундаментальный характер и позволяют глубже понять природу и особенности электрон-атомных и электрон-молекулярных столкновений, а также возможные механизмы плазмохимических реакций. При их подробном анализе могут быть установлены эмпирические закономерности в поведении сечений неупругих столкновений; такие закономерности частично обнаружены в настоящей работе.
Установленные закономерности и фактическая информация, полученная в настоящей работе, могут быть использованы:
лазеров с различными
реакторов и оптимизации
источников излучения
-
при создании баз и банков данных по атомным константам;
-
при сопоставлении с результатами теоретических расчетов атомных констант;
-
при анализе спектров и построении моделей астрофизических объектов;
-
при построении математических моделей плазмы природных и лабораторных объектов;
-
при разработке газоразрядных активными средами;
-
при разработке плазмохимических режимов их работы;
-
при создании газоразрядных специального назначения;
-
при решении задач диагностики плазмы электрометаллургических и электротехнологических установок;
-
при теоретическом анализе физических причин регулярного и нерегулярного поведения сечений.
Основные положения, выносимые на защиту. I. Предложение и обоснование метода протяженных пересекающихся пучков.
-
Создание экспериментальных установок, работающих с использованием этого метода.
-
Получение фактического экспериментального материала о сечениях возбуждения атомов пятидесяти семи элементов электронным ударом.
-
Результаты исследования возбуждения запрещенных излучательных переходов между состояниями одинаковой четности.
-
Результаты изучения радиационного распада автоионизационных состояний атомов меди, серебра, алюминия, галлия при их возбуждении пучком монокинетичных электронов.
-
Результаты исследования возбуждения высоколежащих состояний ряда атомов со значениями главного квантового числа вплоть до п= 26 и получение сериальных закономерностей на основе этих результатов.
-
Обнаружение нерегулярного поведения сечений и оптических функций возбуждения в некоторых сериях атомов кальция, алюминия и ксенона, вызванного действием возмущений.
-
Результаты исследования неупругих столкновений электронов с молекулами мышьяка, сурьмы, селена, теллура.
-
Результаты изучения особенностей неупругих столкновений электронов с молекулами окислов.
10. Результаты исследования неупругих столкновений электронов с
молекулами галогенидов щелочных металлов. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзном совещании "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" (1979 г., Москва); III Всесоюзном семинаре по вопросам физики электронных столкновений (1980 г., Ужгород); VIII Всесоюзной конференции но генераторам низкотемпературной плазмы (1980 г., Новосибирск); X Сибирском совещании по спектроскопии (1981 г., Томск); VIII, IX, X, XI Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Г98І г., Ленинград; 1984 г., Рига; 1988 г., Ужгород; 1991 г., Чебоксары); I, II, III, IV, V Всесоюзных совещаниях "Атомные данные для астрофизики" (1983 г., Тыравере; 1985 г., Научный; 1988г., Молетай; 1991 г., Санкт-Петербург; 1993 г.,
Санкт-Петербург); специализированном семинаре "Актуальные вопросы физики электронных столкновений" (1983 г., Ужгород); XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (1988 г., Киев); Третьем Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы (1988 г., Ленинград); совещании секции "Физико-химические свойства вещества" Совета АН СССР по комплексной проблеме "Математическое моделирование (1989 г., Звенигород); Всесоюзном семинаре "Получение, исследование и применение низкотемпературной плазмы" (1989 г., Москва); рабочем совещании "Автоматизированные банки атомных данных для физики ^высокотемпературной плазмы и астрофизики" (1989 г., Менделеево); X, XI Всесоюзных конференциях "Динамика разреженных газов" (1989 г., Москва; 1991 г., Ленинград); X, XI Всесоюзных конференциях по теории атомов и атомных спектров (1989 г., Томск; 1991 г., Суздаль); Всесоюзном семинаре "Физика и химия обработки материалов концентрированными потоками энергии" (1989 г., Москва); VIII Всесоюзной школе по физике электронных и атомных столкновений (1990 г., Туапсе); II Всесоюзном семинаре "Спектроскопия плазмы, процессы ионизации и возбуждения" (1990 г., Ленинград); 22 конференции Европейской группы по атомной спектроскопии (22 EGAS, 1990 г., Уппсала); XI Международной конференции по аналитической атомной спектроскопии (XI CANAS, 1990 г., Москва); 2 Всесоюзном совещании "Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий" (1990 г., Курган); I, II, III, IV семинаре по атомной спектроскопии (1990 г., Ростов-Великий; 1991 г., Суздаль; 1992 г., Черноголовка; 1993 г., Черноголовка);IV Всесоюзном совещании "Автоионизационные явления е атомах" (1990 г., Москва); III Всесоюзном семинаре "Процессь ионизации с участием возбужденных атомов" (1991 г., Ленинград); XX Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (ICPIC XX, 1991 г., Пиза); I, II Международном симпозиуме пс теоретической и прикладной плазмохимии (ISTAPC-91, 1991 г., Рига; JSTAPC-95, 1995 г., Плес); Всесоюзном совещании "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии" (1991 г., Новокузнецк); IV Европейской конференции го
атомным и молекулярным процессам (IV ЕСAMP, 1992 г., Рига); Международной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (1992 г., Челябинск); XXI съезде по спектроскопии (1995 г., Звенигород); V Международном совещании "Автоионизационные явления в атомах".
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 159 работах; список основных работ приведен в конце автореферата. Издана книга: Смирнов Ю.М. Эффективные сечения возбуждения атомов и ионов электронным ударом. / Справочник. -М., изд-во стандартов. 1989. -265 с. Таблицы результатов автора по измерению сечений возбуждения для атомов и ионов 26 элементов аттестованы Госстандартом СССР в категории "Рекомендуемые справочные данные".
Таблицы,
аттестованные Госстандартом СССР в категории
"Рекомендуемые справочные данные"
Смирнов Ю.М. Эффективные сечения возбуждения атомов и ионов
электронным ударом.
XVIII. Ванадий
XIX. Медь
XX. Алюминий
XXI. Иттрий
XXII. Цирконий
XXIII. Олово
XXIV. Свинец
XXV. Висмут
XXVI. Рутений
Личный вклад соискателя. Автору принадлежит решающая роль в выборе направления и цели исследования, разработке и обосновании метода протяженных пересекающихся пучков, создании экспериментальных установок и проведении экспериментов, обработке и представлении результатов. В работах, выполненных в соавторстве, вклад автора состоит в постановке задач, планировании и проведении экспериментов, обработке и представлении результатов. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения и списка литературы из 109 наименований. Общий объем диссертации составляет 383 страницы, в том числе 121 рисунок и 81 таблица.
